Äußerer Blitzschutz von Photovoltaikanlagen

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Wo Licht ist, ist auch Schatten.
Äußerer Blitzschutz
von Photovoltaikanlagen
Heute sind bereits mehr als 500.000 netzgebundene
Solarstromanlagen in Deutschland installiert.
Die Grundlage für diesen Erfolg ist das Erneuerbare-Energien-Gesetz
(EEG), das in seiner Konzeption
auch deutlich auf die Auswahl der Komponenten
einer Photovoltaikanlage einwirkt. So
vergütet das EEG nicht etwa die Anschaffung einer
PV-Anlage, sondern den über 20 Jahre erzielbaren
Ertrag. Diese Förderung ist zudem für dachmontierte
Solarstromanlagen am höchsten. Für Gebäude
wird vielfach Blitzschutz z. B. durch Richtlinien
von Versicherern [1] oder wie auf öffentlichen
Gebäuden, durch Vorschriften von Landesbauordnungen
(LBO) gefordert.
Das Dach selbst begrenzt durch seine verfügbare
Fläche die Leistung der Anlage. Beides, Blitzschutz
und die größtmögliche PV-Installation in
Einklang zu bringen, ist die tägliche Herausforderung
bei der Planung dieser Systeme.
Der Einfluss ist von vielen Faktoren am jeweiligen
Standort abhängig:
• beschattendes Element und dessen Abstand zum
PV-Modul
• jahreszeitlicher Sonnenverlauf am Standort
• jährlicher Anteil an Direktstrahlung
• Modultechnik (Siliziumzellen oder Dünnschicht).
• Generatorverschaltung und Wechselrichtertechnik
Diese an örtliche Bedingungen und die Bauart der PV-
Anlage gebundenen Variablen machen es nicht möglich,
feste pauschale Werte für die Ertragsminderung
zu geben. In Regionen mit wenig direktem Sonnenschein
sind auch weniger Stunden mit Schatten gegeben.
Des weiteren bestimmt der Breitengrad den
Sonnenstand. Hat der höchste Sonnenstand zur Wintersonnwende
in Garmisch-Partenkirchen einen Winkel
von 19°04´, so ist dieser zeitgleich in Flensburg nur
noch 11°47´ (Bild1).
Auswahl von PV-Komponenten
Nur wer schon im Vorfeld der Projektierung einer PV-
Anlage eine sorgfältige Auswahl der Bauteile, zugeschnitten
auf die örtlichen Gegebenheiten trifft, hat die
Chance einen wirtschaftlichen Betrieb zu realisieren.
Zumal gute Erträge die beste Werbung für die Errichter
sind. Schattenfreie Anlagenausrichtung, zuverlässige
Wechselrichter mit hohem Wirkungsgrad, aber
auch Schadensrisiken müssen deshalb detailliert betrachtet
werden. Zu Letzterem gehört auch die Gefahr
von Blitzschlag. Dieser kann neben dem Totalverlust
der Erzeugungsanlage weitreichende Zerstörungen
im gesamten Gebäude zur Folge haben. Die exponierte
Lage der PV-Module stellt einen bevorzugten
Einschlagpunkt für Blitzentladungen dar. Zudem geht
in Regionen mit hohem Solarstrahlungsanteil auch
ein erhöhtes Blitzschlagrisiko einher. Die Investition
in einen Blitz- und Überspannungsschutz trägt zur Sicherung
langjähriger Solarerträge bei, erzeugt aber
auch bei nicht fachgerechter Errichtung unzulässige
Beschattungen.
Bild 1: Standort Garmisch-Partenkirchen und Flensburg,
Sonnenstand 22.Dezember
Beschattung von PV-Modulen
Wer an heißen Sommertagen seinen Parkplatz entsprechend
dem Sonnenverlauf richtig auswählt, der
findet bei der Rückkehr sein Fahrzeug im kühlen
Schatten wieder. Fehleinschätzungen werden hier
lediglich mit hohen Innenraumtemperaturen quittiert.
Ganz anders bei der Photovoltaik (PV). Bauliche Anlagen
auf dem Dach können ebenso wie der spätere
Schattenwurf nach dem Wachstum von Bäumen massive
Ertragsverluste im zweistelligen Prozentbereich
verursachen und damit entsprechend finanzielle Einbußen
nach sich ziehen.
Bild 2: Abstand Fangeinrichtung zum nächsten Modultisch
und Einhaltung des Trennungsabstandes „s“
Die horizontale Länge des Schattens variiert dann aus
diesem Winkel (Bild 2). Ergebnisse von Langzeituntersuchungen
über Ertragsminderung durch Beschattung
sind nicht auf neue Projekte übertragbar. Zu stark ist
der Einfluss der örtlichen Gegebenheiten. Für die Ertragsprognosen
wird als Handwerkszeug heute vom
Planer und Installateur ein breites Angebot an Softund
Hardware genutzt. Darin werden die örtlich gege-
Verfasser: Dipl.-Ing. Klaus-Peter Müller, Wolfgang Wegmann Stand 05/2012

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benen Bedingungen und Einflüsse berücksichtigt. Die
Auswirkung der linearen Schattenbildung von Bauteilen,
z. B. bei Fangstangen, kleiner 1 cm Ø sind jedoch
nicht immer hinterlegt. Zu gering ist deren Einfluss.
Bild 3: Sonnenstände und durch die Fangstange erzeugter
Schattenverlauf im Winter
Bild 3 zeigt zudem, dass diese Schattenbildung außerhalb
der Mittagszeit durch den dann jeweils steileren
Einfallswinkel abnimmt beziehungsweise nicht mehr
wirksam ist. Der Mechanismus verstärkt sich in den
ertragsstarken Sommermonaten. Die schematische
Kreisfläche, welche den Schatten einer Fangstange
über den Tagesverlauf abbildet, verformt sich im Sommer
immer weiter zu einer Ellipse. Zur Mittagszeit treffen
die Schatten unmittelbar hinter der Fangstange auf
(Bild 4).
Hotspots gefährden PV-Zellen
Eine Besonderheit der Photovoltaik ist die hohe Wirkung
von punktuellen Kernschatten auf die Gesamtleistung
des Systems [2]. Die serielle Verschaltung der
Zellen und auch der Module zur Spannungserhöhung
trägt bei lokaler Verschattung jedoch auch zur Leistungsreduzierung
bei. Die sogenannte „Rückwärtsspannung“
in einer Solarzelle, welche durch die Teilbeschattung
hervorgerufen wird, ist hierfür die Ursache.
Diese „Rückwärtsspannung“ (bis ca. 7 V) ergibt
zusammen mit dem Stromfluss eine resultierende Verlustleistung.
Diese wird als Verlustwärme in der Zelle
umgesetzt. Addiert mit der Energie der Solarstrahlung
selbst, bei gleichzeitig hohen Umgebungstemperaturen,
ist dies die beste Grundlage zur Entstehung von
Hotspots. Diese punktuellen Übertemperaturen können
zu irreparablen Schädigungen der Module führen.
Seitens der Modulhersteller wird diesem Risiko,
vornehmlich bei kristalliner Siliziumtechnik, mittels
Bypassdioden entgegengewirkt. Sie begrenzen die
Rückwärtsspannung auf z. B. 0,7 V und umgehen damit
die gefährdenden Verlustleistungen.
Beiblatt 5 zur Blitzschutznorm DIN EN 62305 Teil 3 [3]
In dieser im September 2009 neu erschienenen Ergänzung
sind zahlreiche Informationen zum Blitz- und
Überspannungsschutz für PV-Stromversorgungssysteme
zu finden. So werden darin die genormten Methoden
wie Maschen- und Schutzwinkelverfahren und
auch das Blitzkugelverfahren genannt. Letzteres wird
meist mit Fangstangen und / oder Fangspitzen realisiert
(Bild 5, Bild 6).
Bild 4: Sonnenstände und durch die Fangstange erzeugter
Schattenverlauf im Sommer
Die Bilder 3 und 4 zeigen im Vergleich sehr deutlich,
dass die Schattenbildung im Winter wesentlich ausgeprägter
ist als im Sommer. Erkennbar ist dies an der
Größe des Kernschattenbereiches. Für die Ertragsreduzierung
durch Schattenbildung ist dieser Umstand
aber eher positiv zu bewerten, da in den Monaten
November bis Januar üblicherweise weniger als 10
% des Ertrages erzeugt wird. In den ertragsstarken
Monaten ist die Schattenbildung wesentlich geringer
ausgeprägt.
Bild 5: Planung einer Blitzschutzanlage mit Hilfe des
Blitzkugelverfahrens
Verfasser: Dipl.-Ing. Klaus-Peter Müller, Wolfgang Wegmann Stand 05/2012

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Bild 6: Ermittlung Fangstangenhöhe und Abstand
nach dem Blitzkugelverfahren entsprechend DIN EN
62305 Teil 3
Unabhängig davon ob der Trennungsabstand „s“ eingehalten
werden kann, ist die primäre Aufgabe der
Fangeinrichtung den direkten Blitzeinschlag, auch in
die PV-Anlage zu verhindern. Das gilt für die Module,
für die Verkabelung am Dach und für aufdachmontierte
Wechselrichter und Generatoranschlusskästen
(GAK). Die Fangstangen müssen, um dieser Aufgabe
gerecht zu werden, die Anlage überragen. Eine tageszeitlich
bezogene Verschattung ist hier besonders bei
größeren Aufdachanlagen gegeben.
Bild 7 zeigt ein Beispiel: Ergibt sich aus der durchzuführenden
Risikoanalyse gemäß DIN EN 62305-2 [4]
oder anderen Vorgaben ein Gefährdungspegel von III,
so ist beim vorgenannten Blitzkugelverfahren ein Radius
für die Blitzkugel von 45 m anzusetzen. Um die
Anforderung zum Vermeiden von Direkteinschlägen
in den Generator zu erfüllen, müssen Fangstangen
bei 10 m diagonalem Abstand die PV-Einrichtung um
mehr als 28 cm überragen.
Häufig wird versucht möglichst viele Modulreihen auf
der begrenzenden Dachfläche unterzubringen, um
eine möglichst hohe Anlagenleistung zu erreichen.
Entsprechend werden diese mit geringem Abstand untereinander
montiert. In den Zwischenräumen werden
die Fangeinrichtungen aufgestellt. Deren Aufgaben,
sowohl den Trennungsabstand einzuhalten als auch
den Schattenwurf auf die dahinter liegenden Module
durch entsprechenden Abstand gering zu halten, bilden
dann einen Konflikt.
Bild 7: Fangstangen zum Schutz der Modulreihen vor
direktem Blitzeinschlag
Im Anhang A zum vorgenannten Beiblatt 5 sind Tabellen
zur Ermittlung des eingangs beschrieben Kernschattens
zu finden. Kernschatten ist der Bereich, welcher
keinerlei direkte Sonnenstrahlen beinhaltet. Dieser
verkleinert sich direkt proportional mit Erhöhung
des Abstandes zum schattenbildenden Gegenstand.
Mit anderen Worten ist eine Stange nicht in der Lage
eine klar umrissene Dunkelfläche aufrecht zu erhalten,
wenn der Abstand zu der dahinter befindlichen Fläche
erhöht wird. Mit zunehmendem Abstand geht diese in
einen Teilschatten über und bei steigender Entfernung
gänzlich verloren. Dieser Kernschatten löst sich bei
einer Fangstange mit 10 mm Durchmesser nach ca.
1 m auf.
Diese Entfernung ist entlang des Lichtstrahles zu sehen.
Der horizontale Abstand, also zwischen Fangstange
und Modul, ist entsprechend kürzer. Er wird zudem
durch den örtlichen Einstrahlungswinkel, welcher
vom Breitengrad zusammen mit dem jahreszeitlichen
Sonnenstand abhängt, bestimmt. Die „kritische“ Entfernung,
z. B. Fangstange zum Modul, ist eine variable
Größe im Zeitraum eines Jahres.
Optimale Modulreihendichte und Anlagenschutz durch
Fangeinrichtung.
Nicht auf jedem Dach sind Oberlichter oder andere
Baukörper zu finden, welche die beschattungsfreie
Montage von Fangstangen innerhalb Photovoltaikmodulfeldern
ermöglichen.
Ein gänzliches Ablehnen dieser Einrichtungen wegen
möglicher Ertragseinbußen steht dem Risiko massiver
Schäden an Anlage, Gebäude bis hin zu Personenschäden
gegenüber. Ebenso der Mangel der technischen
Unzulänglichkeit, wenn Blitzschutz gefordert ist.
Wie in Bild 8 zu sehen ergeben sich im Norden von
Deutschland durch den höheren Abstand der Modulreihen
reichlich Möglichkeiten, um Fangeinrichtungen
unter Einhaltung des Trennungsabstandes „s“ zu montieren.
In Süddeutschland (Bild 9), mit entsprechend
Verfasser: Dipl.-Ing. Klaus-Peter Müller, Wolfgang Wegmann Stand 05/2012

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geringeren Modulreihenabständen, wirkt sich der
ganzjährig steilere Sonnenstand aus. Zusätzlich kann
in Betracht gezogen werden, inwieweit sich eine Beschattung,
welche sich nur zwischen November und
Januar ereignen kann, sich auf den Jahresertrag niederschlägt.
Tabelle 1 zeigt am Standort Regensburg,
über das 10-jährige Mittel, den winterlichen Anteil des
Jahresertrages. Auch eine zeitweilige Ertragseinbuße
wird sich auf das Jahresergebnis nur entsprechend
gering auswirken können.
Bild 8: Standort Flensburg, Sonnenstand 21.Dezember,
Modulreihenabstand 2,16 m
Zusammenfassung
Lineare und wandernde Kernbeschattungen, wie sie
von Fangstangen erzeugt werden, beinhalten in den
Wintermonaten kein generelles Potential schädliche
Hotspots zu erzeugen.
Neben der jahreszeitlich bedingten geringen Strahlungsenergie
und den niedrigen Umgebungstemperaturen,
wirken auch die niedrigeren Ströme in den Modulen
dem entgegen.
Grundsätzliche Vorbehalte beim Einsatz von Blitzschutzfangeinrichtungen
im Zusammenhang mit Ertragsverlusten
sind wenig begründbar. Eine detaillierte
Betrachtung der vielschichtigen Aspekte im Zusammenhang
mit den örtlichen Gegebenheiten ist notwendig.
Der Verbesserung der langjährigen Ertragssicherung,
wie sie durch den Schutz mit einem optimalen
Blitzschutzsystem erreichbar ist, ist Vorzug zu geben.
Bei Gebäuden mit der Forderung nach einem Blitzschutzsystem
ist die fachgerechte Planung und Installation
von PV-Anlagen und Blitzschutz eine lösbare
Aufgabe.
Literatur
Bild 9: Standort Garmisch-Partenkirchen, Sonnenstand
21. Dezember, Modulreihenabstand 1,33 m
Tabelle 1: Durchschnittliche Monatserträge aus 10
Jahre Anlagenbetrieb und jahreszeitbedingter horizontaler
Abstand von einem bis auf 1,08 m wirksamen
Kernschatten.
[1] Risikoorientierter Blitz- und Überspannungsschutz,
Richtlinien zur Schadenverhütung: VdS 2010, Ausgabe:
2009-09, Hrsg: VdS-Verlag,
[2] Prof. Dr. Quaschning, Volker:Simulation der Abschattungsverluste
bei solarelektrischen Systemen
/ Volker Quaschning. - 1. Aufl. - Berlin : Verlag Dr.
Köster,1996
[3] DIN EN 62305-1 (VDE 0185-305-1): 2006-10:
Blitzschutz –
Teil 1: Allgemeine Grundsätze (IEC 62305-1:2006);
Deutsche Fassung EN 62305-1:2006
DIN EN 62305-2 (VDE 0185-305-2): 2006-10:
Blitzschutz –
Teil 2: Risiko-Management (IEC 62305-2:2006);
Deutsche Fassung EN 62305-2:2006
DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3): 2006-10:
Blitzschutz –
Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen
(IEC 62305-2, modifiziert);
Deutsche Fassung EN 62305-3:2006
DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4): 2006-10:
Blitzschutz –
Teil 4: Elektrische und elektronische Systeme in
baulichen Anlagen
(IEC 62305-4:2006);
Deutsche Fassung EN 62305-4:2006
VDE VERLAG Berlin
[4] Beiblatt 5 VDE 0185-305-3 2009-10 DIN EN 62305-
3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen –
Beiblatt 5: Blitz- und Überspannungsschutz für PV
Stromversorgungssysteme, VDE VERLAG Berlin
Verfasser: Dipl.-Ing. Klaus-Peter Müller, Wolfgang Wegmann Stand 05/2012